开式冷却塔与冷水机组如何实现耗能合理化

这篇文章的契机来源于几天看到的问题，在该问题下我也简单的回答了一下。

显然这是一个非常好的问题，对于搞暖通控制的人来说，运行策略的优劣直接决定了整个系统的运行能效，即便是相同的设备，控制策略不同，其终的运行费用也会有很大差异。好的运行策略必然来源于对系统内所有设备工作特性的准确了解和建模。

建模也相对比较简单，对于冷水机组可以让厂商提供不同水温、不同负荷下的运行数据，通常称为loadline。使用这些loadline即可通过数据回归建立模型；冷却塔的也可以让厂商提供响应的数据，进行数据回归，随后将冷却塔模型、冷水机组模型以及水泵模型联动即可动态实现控制。

下面我使用excel尝试简单的实现了一下，冷水机组部分采用小二乘法将来自厂商的50组负荷点数据回归为容积流量和压缩效率的某型式的数学模型。这样就可以根据蒸发温度、冷凝温度和制冷量计算出冷水机组的COP和运行功率等参数。下图为回归后的效率岛，横坐标为容积流量，纵坐标为运行压比。

冷却塔这边我没有拿到足够多的数据，简单的采用定流量、变频调节风速的冷却塔，其中功耗 ;冷却塔接近温度 ，其中 为100%转速时的冷却塔的额定功率， 为转速比。当n=100%时，冷却塔的接近温度为4℃（注意，这里的模型只是为了演示建模过程，并不代表实际的数学物理模型）。

假设项目采用了1台250RT的离心机，配套1台额定功率为 =7.5kW的冷却塔，通过在excel中分别建立压缩机模型和冷却塔模型，我分别考察了以下几种情况：

①100%负荷需求，湿球温度为30℃时，此时整个系统功耗出现在冷却塔转速为91%左右时。

②100%负荷需求，湿球温度为26℃时，此时整个系统功耗出现在冷却塔转速为87%左右时。

③60%负荷需求，湿球温度为26℃时，此时整个系统功耗出现在冷却塔转速为83%左右时。

我们大概可以看出一个趋势，环境温度越恶劣，负荷越高时，其冷却塔的转速也越高。

下面我们改变一下冷却塔的功率模型，如果功率和转速只是1次方关系，即 ,此时同样选择上面三种工况：

①100%负荷需求，湿球温度为30℃时，此时整个系统功耗出现在冷却塔转速为100%时。

②100%负荷需求，湿球温度为26℃时，此时整个系统功耗出现在冷却塔转速为100%时。

③60%负荷需求，湿球温度为26℃时，此时整个系统功耗出现在冷却塔转速仍然为100%时。

在这种情况下，冷却塔基本全开才是合理化的，下面我们继续降低负荷和环境湿球温度，看看在小负荷时转速是否有变化：

④40%负荷需求，湿球温度为20℃时，此时整个系统优冷却塔转速出现在了82.9%附近。

从上面的分析可以简单的看出

①不管冷却塔的具体数学模型是怎样的，冷却塔的转速比大约都集中在80%~100%；

②冷却塔的转速比同冷却塔本身的特性有很大的关系，如果随着转速的降低，其功率有显著的降低，那么部分负荷时可以通过降低冷却塔的转速来实现；如果功率和转速是线性的，则仅在小负荷及低环温时，冷却塔转速会向低转速倾斜。

③对机组和冷却塔如何准确建模很重要；

当然，在本文中没有考虑流量的变化，如果考虑流量的变化，还涉及水泵功耗的影响，以及流量对冷却塔换热性能和进出水温差的影响，其系统会稍微复杂一些。